[go: up one dir, main page]

WO2014198395A1 - Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls - Google Patents

Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls Download PDF

Info

Publication number
WO2014198395A1
WO2014198395A1 PCT/EP2014/001533 EP2014001533W WO2014198395A1 WO 2014198395 A1 WO2014198395 A1 WO 2014198395A1 EP 2014001533 W EP2014001533 W EP 2014001533W WO 2014198395 A1 WO2014198395 A1 WO 2014198395A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
laser beam
process gas
piercing
top side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/001533
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Raichle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority to PL14733988T priority Critical patent/PL3007852T3/pl
Priority to CN201480033514.5A priority patent/CN105339129B/zh
Priority to EP14733988.1A priority patent/EP3007852B1/de
Publication of WO2014198395A1 publication Critical patent/WO2014198395A1/de
Priority to US14/966,384 priority patent/US9956648B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
    • B23K26/1436—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for pressure control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/384—Removing material by boring or cutting by boring of specially shaped holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets

Definitions

  • the invention relates to a method for piercing a metallic workpiece by means of a laser beam and a process gas.
  • a piercing method in which in a first method step with a large distance between the process gas nozzle on the machining head and the workpiece surface, a broad, flat trough in the surface of the workpiece is generated. Subsequently, with a smaller distance between the nozzle and the workpiece surface, lower laser power and lower pressure of the process gas, a puncture hole extending through the workpiece is produced.
  • This object is achieved according to the invention by a method for piercing a metallic workpiece by means of a laser beam and a process gas, with the following steps: a) forming a non-continuous piercing hole in the workpiece by piercing the laser beam into the workpiece with an inert gas, in particular nitrogen, as the process gas;
  • step b) widening the upper part of the puncture hole to a recess surrounding the puncture hole on the workpiece top side, in particular concentrically, by means of the laser beam set on the workpiece to a larger beam diameter than in step a) and with oxygen as the process gas; and c) piercing the puncture hole by means of the laser beam and with oxygen as the process gas.
  • step c) the puncture is then carried out as far as the underside of the sheet metal, with the laser beam acting particularly well in the depth of the material through the previously formed puncturing funnel, which leads to rapid progress of the process.
  • the puncture hole extends only into the upper half of the workpiece.
  • the workpiece material which melts during piercing deposits itself around the puncture hole and forms an opening.
  • the subsequent second method step b) of the puncturing method according to the invention the upper part of the puncture hole is widened in that with a larger beam diameter of the laser beam on the workpiece than in step a) and with oxygen as the process gas with pulsed or continuous laser radiation, a recess in the workpiece top, preferably concentric with the puncture hole is generated.
  • the charge from the first step is oxidized together with further material from the workpiece surface by the oxygen, and the oxidic slag formed thereby is blown off through the process gas flow.
  • a shallow depression forms, from the bottom surface of which the puncture hole created in the first step a) extends further into the workpiece interior.
  • the trough thus extends only a fraction of the way into the workpiece as the puncture hole.
  • a funnel-shaped hole in the workpiece top side is formed in this way.
  • the two-stage embodiment of the insertion straightener according to the invention has the advantage that no adhering workpiece material is left on the workpiece surface around this hole and only a minimum of heat input into the workpiece takes place. The result is a Einichtrichter with sharply defined edge and clean environment.
  • the focal point of the laser beam preferably lies above the workpiece surface, so that a relatively wide puncture hole forms as a later "shaft" of the puncturing device.
  • the focal point of the laser beam in the second method step b) is arranged even further above the workpiece surface and additionally As a result, the power density of the laser beam on the workpiece surface is reduced and the irradiation diameter on the workpiece is increased, so that when the workpiece is irradiated with a shallow depression great
  • Diameter is formed in the workpiece surface.
  • the displacement of the laser focus point in the vertical direction can be done for example by moving one or more lenses of the focusing optics in the processing head or by adaptive mirror in a free-beam optics.
  • the enlargement of the focus diameter can be realized, for example, by switching between a fiber core and a fiber cladding in a double clad fiber between the laser and the processing head, as described in DE102010003750A1.
  • the distance of the machining head to the workpiece surface ie, the distance between the process gas nozzle and the workpiece surface, changed.
  • a relatively large distance between the process gas nozzle and the workpiece surface (of eg about 20 mm) should be set so that contamination of the process gas nozzle is avoided by molten metal.
  • the distance between the process gas nozzle and the workpiece surface is preferably further increased (eg to approximately 80 mm), so that the irradiation surface on the workpiece surface is enlarged.
  • the piercing of the puncture hole to the underside of the workpiece takes place in the third method step c), in which the laser beam is positioned centrally above the puncture hole and pierced with oxygen as process gas and pulsed or continuous laser radiation from the bottom of the Einrichtrichters, starting from the workpiece, wherein the focal point of Laser beam through the funnel-shaped preinsech deeper than the hopper floor can lie in the workpiece.
  • the funnel-shaped contour of the puncture hole produced in the method steps a) and b) is particularly well able to promote the slag generated during further puncturing (piercing) far away from the puncture hole. As a result, the melt cools down before it hits the workpiece surface again and does not adhere to the workpiece surface.
  • the inventive method can be implemented both on a solid-state laser cutting machine and on a laser cutting machine with C02 laser and is particularly advantageous when piercing into plate-shaped workpieces made of structural steel.
  • the distance between the process gas nozzle and the workpiece surface during piercing is smaller (for example, about 5 mm) than in the two method steps a) and b), so that the process gas well into the puncture hole
  • the piercing can be either unregulated with con Continuously increasing laser power or regulated by means of a known puncture sensor.
  • the recess created in the first step a) at the bottom of the trough produced in the second step is used in this third step c) as a light channel for the laser beam.
  • the puncture hole therefore has a significantly smaller diameter, and there is less lesser heat input into the component than with conventional puncture procedures. In this way, less slag is formed, which could deposit on the workpiece, and a flawless contour cut in the vicinity of the puncture is possible.
  • the three process steps a) to c) can be performed discretely consecutively.
  • the laser beam is switched off and the machining head is moved vertically away from the workpiece upwards.
  • the process gas is switched from nitrogen to oxygen.
  • the laser beam is ignited and the second process step b) is performed.
  • the positioning movement of the machining head between the second and third process steps b), c) also takes place when the laser beam is switched off.
  • the three process steps a) to c) can follow one another continuously, with the laser beam remaining switched on.
  • the change of the beam diameter on the workpiece surface for example, by moving the machining head perpendicular to the workpiece surface.
  • the gas exchange between the first and second process steps a), b) is carried out during the process of the processing head.
  • the puncture hole can be enlarged prior to the start of the actual cutting process. This is necessary if the focus diameter of the laser beam when cutting the workpiece is greater than during piercing. Then, a wide kerf is produced during cutting, with much melt being formed. If the puncture hole is too narrow, then the melt formed at the beginning of the cut can not be driven out of the workpiece quickly enough through the puncture hole, and a cut in the cut can occur.
  • the puncture site is irradiated in the fourth method step d) with the laser beam adjusted to a larger focus diameter than in the third method step c).
  • the gas pressure of the process gas is set so high that the melt formed is safely expelled down from the workpiece.
  • the focal point of the laser beam is arranged as well as in the third method step c) below the workpiece surface.
  • the distance between the process gas nozzle and the workpiece surface corresponds to the distance in the third method step c).
  • the focal diameter of the laser beam is preferably increased stepwise or continuously during the widening of the puncture hole. This increase in diameter can be done for example by moving the lenses in the processing head, as described in WO2011131541 A1.
  • the beam path can be switched between the core and the cladding of a doubleclad fiber, as described in DE102010003750A1. Continuously increasing the focus diameter to the diameter for the subsequent cutting process particularly increases the process reliability when enlarging the puncture hole.
  • the workpiece top is oiled at the puncture site, e.g. sprayed with oil to reduce the adhesion of any spatters formed in step a) and step b).
  • the invention also relates to a laser processing machine comprising a laser beam generator, a movable laser processing head with a process gas nozzle from which the laser beam emerges together with the process gas, a device for selecting the process gas and a controller programmed to control the movement of the laser Laser processing head and the selected process gas to control the device according to the invention Einstech Kunststoff.
  • the invention further relates to a computer program product having code means adapted to perform all steps of the piercing method according to the invention, when the program runs on a control of a laser processing machine.
  • a processing machine 1 is shown in perspective, which shows the structure of a laser cutting machine as an embodiment of a laser processing machine. Further exemplary embodiments are, for example, a laser welding machine or a combined punching / laser cutting machine.
  • This processing machine 10 has, for example, a CO 2 laser, diode laser or solid-state laser as a laser beam generator 2, a movable laser processing head 3 and a workpiece support 4.
  • a laser beam 5 is generated, which is guided by means of a (not shown) optical fiber cable or (not shown) deflecting mirrors from the laser 2 to the processing head 3.
  • a workpiece 6 is arranged on the workpiece support 4.
  • the laser beam 5 is by means of a directed in the processing head 3 focusing optics directed to the workpiece 6.
  • the processing machine 1 is also supplied with process gases 7, for example oxygen and nitrogen. Alternatively or additionally, compressed air or application-specific gases may be provided. The use of the individual gases depends on the material of the workpiece 6 to be machined and on the quality requirements for the cut edges.
  • a suction device 8 is present, which is connected to a suction channel 9, which is located under the workpiece support 4.
  • the process gas 7 is fed to a process gas nozzle 10 of the processing head 3, from which it emerges together with the laser beam 5.
  • the material of the workpiece 6 is melted and largely oxidized.
  • inert gases such as nitrogen or argon
  • the material is merely melted.
  • the resulting melt particles are then blown out, optionally together with the iron oxides, and sucked off together with the cutting gas via the suction channel 9 through the suction device 8.
  • Fign. 2a to 2d the individual process steps of the piercing method according to the invention are shown in a workpiece 6 made of steel.
  • the workpiece 6 is pierced and a puncture hole 11 is formed which does not pass through the entire workpiece thickness.
  • the puncture hole 11 only extends into the upper half of the workpiece 6.
  • step b) shown in FIG. 2 b the upper part of the puncturing hole 11 is widened in that by means of the laser beam 5 now set to a larger beam diameter on the workpiece 6 than in step a) and with oxygen as the process gas 7 With pulsed or continuous laser radiation, a trough 14 in the workpiece top 12 is generated concentrically to the insertion hole 11.
  • the charge 13 from the first step a) together with further material from the workpiece surface is oxidized by the oxygen and the oxidic slag formed thereby is blown off by the process gas flow emerging from the process gas nozzle 10.
  • a flat depression 14 forms, from whose bottom surface the puncture hole 11 produced in the first step a) extends further into the workpiece interior.
  • the trough 14 thus extends only a fraction of the way into the workpiece 6 as the puncture hole 11. Overall, in this way a funnel-shaped Operaeinstich (Einichtrichter) 15 with sharply defined edge and clean environment in the workpiece top 12.
  • the two-stage design of the Einrichtrichters 15 has the advantage that there is no adhering workpiece material on the workpiece top 12 to this Einrichtrichter 15 around and only a minimum of heat input into the workpiece 6 takes place.
  • the insertion funnel 15 facilitates the expulsion of the melt during further piercing through the workpiece 6.
  • the focal point of the laser beam 5 preferably lies above the workpiece top side 12, so that a relatively wide puncture hole 11 is formed as a later "shaft" of the puncturing judge 15.
  • the focal point of the laser beam 5 is still in the second method step b)
  • the diameter of the laser beam 5 in focus ie the focus diameter, is larger than in the first method step a) that during the irradiation of the workpiece 6, a shallow depression 14 with a large diameter is formed in the workpiece upper side 12.
  • a relatively large distance d1 between the process gas nozzle 10 and workpiece upper side 12 should be set, for example, about 20 mm, so that contamination of the process gas nozzle 10 by molten metal is avoided.
  • the distance d2 between the process gas nozzle 10 and workpiece upper side 12 is then further increased (d2> d1), eg to approximately 80 mm, so that the irradiation surface on the workpiece upper side 12 is enlarged.
  • the piercing of the puncture hole 11 to the underside of the workpiece 6 takes place in the third method step c) shown in FIG.
  • the puncture funnel 15 produced in the method steps a) and b) is particularly well able to promote the slag generated during further puncturing (piercing) in method step c) far away from the puncture hole 11, as indicated by the arrows 17 is indicated in FIG. 2c.
  • the melt cools before it hits the workpiece surface again, and does not adhere to the workpiece top side 12.
  • the distance d3 between the process gas nozzle 10 and the workpiece top during piercing smaller (eg, about 5 mm) than the distance d1, d2 in the two process steps a) and b), so that the process gas can be well coupled into the puncture hole 11 (d3 ⁇ d1, d2).
  • the pressure of the process gas can then be set lower than in the process steps a) and b).
  • the piercing can be done either unregulated regulated with continuously increasing laser power or with the help of a known puncture sensors.
  • the puncture hole 11 produced in the first method step a) at the bottom of the trough 14 produced in the second method step b) serves in this third method step c) as a light channel for the laser beam 5.
  • the puncture hole 16 therefore has a significantly smaller diameter than the original puncture hole 11, and there is less heat input into the workpiece 12 than with conventional puncturing methods.
  • 3a shows a photograph of the workpiece top side 12 with a pierce hole 16 which was produced by a conventional piercing method
  • FIG. 3b shows a photograph of the workpiece top side 12 with a pierce hole 16 which was produced by the piercing method according to the invention. While the workpiece upper side 12 shown in FIG. 3 is soiled around the piercing hole 16 with slag thawing 13, significantly less slag is deposited on the workpiece upper side 12 shown in FIG. 3b, thereby permitting an error-free contour cut in the vicinity of the piercing hole 16.
  • FIG. 4 a shows a cross-sectional photograph of a puncture hole 16 which has been produced by a conventional puncturing method
  • FIG. 4 b shows a cross-sectional photo of a puncture hole 16 which was produced by the puncturing method according to the invention. While the puncture hole 16 shown in FIG. 4 a has an irregular, wide hole diameter over the workpiece thickness, the hole diameter of the puncture hole 16 shown in FIG. 4 b is more regular over the workpiece thickness, narrower and widened in a controlled way only on the workpiece upper side due to the puncture director 15.
  • the puncture hole 16 can be enlarged before the start of the actual cutting process. This is necessary when the focus diameter of the laser beam 5 when cutting the workpiece 6 is greater than when piercing. Then, a wide kerf is produced during cutting, with much melt being formed. If the puncture hole 16 is too narrow, the melt formed at the beginning of the cut can not move fast enough the puncture hole 16 are driven downward from the workpiece 6, and it may come to a cut.
  • the puncture site in the fourth procedural step d) is irradiated with the laser beam 5 set to a larger focus diameter than in the third method step c).
  • the gas pressure of the process gas 7 is set so high that the melt formed is safely expelled downwards from the workpiece 6.
  • the focal point of the laser beam 5 is arranged as in the third method step c) below the workpiece top.
  • the laser processing machine 1 further includes means (eg, a switching valve) 18 for selecting the process gas supplied to the process gas nozzle 10, and a controller 19 programmed to carry out the movement of the laser processing head 3 together with its process gas nozzle 10 and the selected process gas 7 to control the device 18 according to the piercing method described above.
  • means eg, a switching valve
  • controller 19 programmed to carry out the movement of the laser processing head 3 together with its process gas nozzle 10 and the selected process gas 7 to control the device 18 according to the piercing method described above.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück (6) mittels eines Laserstrahls (5) und eines Prozessgases (7) umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: a) Ausbilden eines nicht durchgehenden Einstichlochs (11) im Werkstück (6) durch Einstechen des Laserstrahls (5) in das Werkstück (6) mit einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Prozessgas (7); b) Verbreitern des oberen Teils des Einstichlochs (11) zu einer das Einstichloch (11) auf der Werkstückoberseite (12), insbesondere konzentrisch, umgeben- den Mulde (14) mittels des auf dem Werkstück (6) auf einen größeren Strahldurchmesser als im Schritt a) eingestellten Laserstrahls (5) und mit Sauerstoff als Prozessgas (7); und (c) Durchstechen des Einstichlochs (11) mittels des Laserstrahls (5) und mit Sauerstoff als Prozessgas (7).

Description

Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke mittels eines Laserstrahls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mittels eines Laserstrahls und eines Prozessgases.
Beim Laserschneiden entstehen beim Einstechen in dicke Werkstücke Aufwürfe aus geschmolzenem und wieder erstarrendem Metall oder Metalloxid in der Umgebung des Einstichlochs, deren Ausmaße mit größer werdender Blechstärke deutlich zunehmen. Diese Anhaftungen rund um das Einstichloch stören vor allem bei zu schneidenden Innengeometrien und bei kleinen Bauteilen, bei denen die Schneidkontur zwangsläufig sehr nah an der Einstichstelle entlang verläuft. Außerdem erkennt die Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfs die Aufwürfe als Störkontur und regelt die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs weg vom Werkstück, was prozesstechnische Probleme zur Folge hat. Zur Vermeidung dieser Probleme ist es notwendig, die anhaftenden Aufwürfe auf dem Werkstück zu reduzieren oder zu vermeiden.
Aus JP05057469A ist ein Einstechverfahren bekannt, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt mit großem Abstand zwischen der Prozessgasdüse am Bearbeitungskopf und der Werkstückoberfläche eine breite, flache Mulde in der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird. Anschließend wird mit kleinerem Abstand zwischen der Düse und der Werkstückoberfläche, geringerer Laserleistung und geringerem Druck des Prozessgases ein durch das Werkstück hindurch reichendes Einstichloch erzeugt.
Aus DE102012014323A1 ist es bekannt, beim Einstechen in einem ersten Verfahrensschritt mit großem Abstand zwischen Prozessgasdüse und Werkstückoberfläche ein zylinderförmiges, breites Loch in der oberen Werkstückhälfte zu erzeugen. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt der Laserstrahl auf die Bodenfläche des breiten Lochs fokussiert, um ein Durchstichloch zu erzeugen. Bei diesem zweiten Schritt wird das Prozessgas nur in das breite Loch und nicht auf die Umgebung des Lochs gerichtet. Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das aus JP05057469A bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass ein schnelleres Einstechen und ein geringerer Wärmeeintrag beim Einstechen in das Werkstück ermöglicht werden. Ein reduzierter Wärmeeintrag beim Einstechen ist besonders vorteilhaft für einen fehlerfreien Konturschnitt in der Umgebung der Einstichstelle.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mittels eines Laserstrahls und eines Prozessgases, mit folgenden Schritten: a) Ausbilden eines nicht durchgehenden Einstichlochs im Werkstück durch Einstechen des Laserstrahls in das Werkstück mit einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Prozessgas;
b) Verbreitern des oberen Teils des Einstichlochs zu einer das Einstichloch auf der Werkstückoberseite, insbesondere konzentrisch, umgebenden Mulde mittels des auf dem Werkstück auf einen größeren Strahldurchmesser als im Schritt a) eingestellten Laserstrahls und mit Sauerstoff als Prozessgas; und c) Durchstechen des Einstichlochs mittels des Laserstrahls und mit Sauerstoff als Prozessgas.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in den beiden Schritten a) und b) an der Werkstückoberseite die Formung eines trichterförmigen Teileinstichs (Einstichtrichter), der den Austrieb der Schmelze erleichtert. Im Schritt c) erfolgt anschließend der Durchstich bis zur Blechunterseite, wobei der Laserstrahl durch den zu- vor geformten Einstichtrichter besonders gut in der Tiefe des Materials wirkt, was zu einem schnellen Prozessfortschritt führt.
Im ersten Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens wird mit gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung und mit einem Inertgas, vor- zugsweise mit Stickstoff, in das Werkstück eingestochen und ein Einstichloch geformt, das nicht durch die gesamte Werkstückdicke hindurch reicht. Vorteilhafterweise erstreckt sich das Einstichloch nur bis in die obere Hälfte des Werkstücks hinein. Durch die Verwendung eines Inertgases als Prozessgas erfolgt kein unkontrollierter Abbrand des Werkstückmaterials. Außerdem wird der Energieeintrag in das Werkstück gering gehalten, was sich beim späteren Schneiden der Kontur positiv auf die Bearbeitungsgenauigkeit auswirkt.
Das beim Einstechen aufschmelzende Werkstückmaterial lagert sich um das Einstichloch herum ab und bildet einen Aufwurf. In dem darauf folgenden zweiten Verfahrensschritt b) des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens wird der obere Teil des Einstichlochs dadurch verbreitert, dass mit größerem Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück als beim Schritt a) und mit Sauerstoff als Prozessgas mit gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung eine Mulde in der Werkstückoberseite, vorzugsweise konzentrisch zum Einstichloch, erzeugt wird. Bei diesem zweiten Verfahrensschritt b) wird der Aufwurf aus dem ersten Schritt zusammen mit weiterem Material aus der Werkstückoberfläche durch den Sauerstoff oxidiert und die dabei gebildete oxidische Schlacke durch den Prozessgas- ström abgeblasen. Es bildet sich eine flache Mulde, von deren Bodenfläche aus sich das im ersten Schritt a) erzeugte Einstichloch weiter in das Werkstückinnere hinein erstreckt. Die Mulde erstreckt sich also nur einen Bruchteil so weit in das Werkstück hinein wie das Einstichloch. Insgesamt bildet sich auf diese Weise ein trichterförmiges Loch in der Werkstückoberseite. Die erfindungsgemäße zweistufi- ge Ausbildung des Einstichtrichters hat den Vorteil, dass sich auf der Werkstückoberfläche um dieses Loch herum kein anhaftendes Werkstückmaterial mehr befindet und nur ein Minimum an Wärmeeintrag in das Werkstück erfolgt. Es entsteht ein Einstichtrichter mit scharf begrenztem Rand und sauberer Umgebung. Vorzugsweise liegt der Fokuspunkt des Laserstrahls beim ersten Verfahrensschritt a) oberhalb der Werkstückoberfläche, so dass ein relativ breites Einstichloch als späterer„Schaft" des Einstichtrichters entsteht. Besonders bevorzugt ist der Fokuspunkt des Laserstrahls im zweiten Verfahrensschritt b) noch weiter oberhalb der Werkstückoberfläche angeordnet und zusätzlich der Durchmesser des Laser- Strahls im Fokus, d.h. der Fokusdurchmesser, größer als im ersten Verfahrensschritt a). Dadurch wird die Leistungsdichte des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche verringert und der Bestrahldurchmesser auf dem Werkstück vergrößert, so dass bei der Bestrahlung des Werkstücks eine flache Mulde mit großem
Durchmesser in der Werkstückoberfläche gebildet wird.
Die Verschiebung des Laser-Fokuspunkts in vertikaler Richtung kann beispielsweise durch Verschieben einer oder mehrerer Linsen der Fokussieroptik im Bearbeitungskopf oder durch adaptive Spiegel in einer Freistrahloptik erfolgen. Bei fasergeführter Laserstrahlung kann die Vergrößerung des Fokusdurchmessers bei- spielsweise durch ein Schalten zwischen einem Faserkern und einem Fasermantel in einer Doppelcladfaser zwischen dem Laser und dem Bearbeitungskopf realisiert werden, wie es in der DE102010003750A1 beschrieben ist. Vorzugsweise wird zumindest ergänzend auch der Abstand des Bearbeitungskopfs zur Werkstückoberfläche, d.h. der Abstand zwischen der Prozessgasdüse und der Werkstückoberfläche, geändert. Bereits beim ersten Verfahrensschritt a) sollte ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen der Prozessgasdüse und der Werkstückoberfläche (von z.B. ca. 20 mm) eingestellt werden, so dass eine Verschmutzung der Prozessgasdüse durch geschmolzenes Metall vermieden wird. Im zweiten Verfahrensschritt b) wird vorzugsweise der Abstand zwischen der Prozessgasdüse und der Werkstückoberfläche noch weiter vergrößert (z.B. auf ca. 80 mm), so dass die Bestrahlfläche auf der Werkstückoberfläche vergrößert ist.
Das Durchstechen des Einstichlochs bis zur Unterseite des Werkstücks erfolgt im dritten Verfahrensschritt c), bei dem der Laserstrahl mittig über dem Einstichloch positioniert und mit Sauerstoff als Prozessgas und gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung vom Boden des Einstichtrichters ausgehend durch das Werkstück durchgestochen wird, wobei der Fokuspunkt des Laserstrahls durch den trichterförmigen Voreinstich tiefer als der Trichterboden im Werkstück liegen kann. Dies hat entscheidende Vorteile für den effizienten Energieeintrag beim Durchstechen, da der Laserstrahl ohne Abschattungen tief im Material fokussiert werden kann. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass die in den Verfahrensschritten a) und b) erzeugte trichterförmige Kontur des Einstichlochs besonders gut in der Lage ist, die beim weiteren Einstechen (Durchstechen) erzeugte Schlacke weit vom Einstichloch weg zu fördern. Dadurch kühlt die Schmelze ab, bevor sie wieder auf die Werkstückoberfläche trifft, und haftet nicht auf der Werkstückoberfläche an.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl an einer Festkörperlaser- Schneidmaschine als auch an einer Laserschneidmaschine mit C02-Laser umgesetzt werden und ist besonders beim Einstechen in plattenförmige Werkstücke aus Baustahl vorteilhaft.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Prozessgasdüse und der Werkstückoberfläche beim Durchstechen kleiner (z.B. ca. 5 mm) als bei den beiden Verfahrensschritten a) und b), so dass das Prozessgas gut in das Einstichloch
eingekoppelt werden kann. Das Durchstechen kann entweder ungeregelt mit kon- tinuierlich ansteigender Laserleistung oder mit Hilfe einer bekannten Einstichsensorik geregelt erfolgen. Das im ersten Verfahrensschritt a) erzeugte Einstichloch am Boden der im zweiten Schritt erzeugten Mulde dient in diesem dritten Verfahrensschritt c) als Lichtkanal für den Laserstrahl. Auf diese Weise ge- langt die Laserstrahlung besser in das Werkstück, und es wird eine bessere Tiefenwirkung der Laserstrahlung erreicht. Das Durchstichloch hat daher einen deutlich geringeren Durchmesser, und es findet ein geringerer weniger Wärmeeintrag in das Bauteil statt als bei bisher üblichen Einstichverfahren. Auf diese Weise wird weniger Schlacke gebildet, die sich auf dem Werkstück ablagern könnte, und ein fehlerfreier Konturschnitt in der Umgebung der Einstechstelle wird ermöglicht.
Die drei Verfahrensschritte a) bis c) können diskret aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Dabei wird nach Beendigung des ersten Verfahrensschritts a) der Laserstrahl ausgeschaltet und der Bearbeitungskopf vertikal vom Werkstück nach oben weg verfahren. Dabei oder danach wird das Prozessgas von Stickstoff auf Sauerstoff umgestellt. Anschließend wird der Laserstrahl gezündet und der zweite Verfahrensschritt b) durchgeführt. Die Positionierbewegung des Bearbeitungskopfes zwischen dem zweiten und dritten Verfahrensschritt b), c) erfolgt ebenfalls bei ausgeschaltetem Laserstrahl. Alternativ können die drei Verfahrensschritte a) bis c) kontinuierlich aufeinander folgen, wobei der Laserstrahl angeschaltet bleibt. Die Änderung des Strahldurchmessers auf der Werkstückoberfläche erfolgt beispielsweise durch Verfahren des Bearbeitungskopfes senkrecht zur Werkstückoberfläche. Der Gaswechsel zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt a), b) wird beim Verfahren des Bearbeitungskopfes durchgeführt.
Nach dem Durchstich durch das Werkstück kann in einem optionalen vierten Verfahrensschritt d) das Einstichloch vor Beginn des eigentlichen Schneidprozesses vergrößert werden. Dies ist notwendig, wenn der Fokusdurchmesser des Laserstrahls beim Schneiden des Werkstücks größer ist als beim Einstechen. Dann wird beim Schneiden eine breite Schnittfuge erzeugt, wobei viel Schmelze gebildet wird. Ist das Einstichloch zu schmal, so kann die gebildete Schmelze zu Beginn des Schnitts nicht schnell genug durch das Einstichloch nach unten aus dem Werkstück ausgetrieben werden, und es kann zu einem Schnittabriss kommen. Zum Vergrößern des Einstichlochs wird die Einstichstelle im vierten Verfahrensschritt d) mit dem auf einen größeren Fokusdurchmesser als beim dritten Verfahrensschritt c) eingestellten Laserstrahl bestrahlt. Der Gasdruck des Prozessgases ist so hoch eingestellt, dass die gebildete Schmelze sicher nach unten aus dem Werkstück ausgetrieben wird. Der Fokuspunkt des Laserstrahls ist ebenso wie beim dritten Verfahrensschritt c) unterhalb der Werkstückoberfläche angeordnet. Der Abstand zwischen Prozessgasdüse und Werkstückoberfläche entspricht dem Abstand im dritten Verfahrensschritt c). Vorzugsweise wird der Fokusdurchmesser des Laserstrahls beim Aufweiten des Durchstichlochs schrittweise oder kontinuier- lieh erhöht. Diese Durchmesservergrößerung kann beispielsweise durch Verschieben der Linsen im Bearbeitungskopf erfolgen, wie es in WO2011131541 A1 beschrieben ist. Alternativ oder ergänzend kann bei fasergeführtem Laserstrahl ein Umschalten des Strahlwegs zwischen dem Kern und dem Mantel einer Doppelclad-Faser erfolgen, wie es in DE102010003750A1 beschrieben ist. Ein kontinuierliches Vergrößern des Fokusdurchmessers bis zum Durchmesser für den anschließenden Schneidprozess erhöht in besonderer Weise die Prozesssicherheit beim Vergrößern des Durchstichlochs.
Vorzugsweise wird vor dem Schritt a) die Werkstückoberseite an der Einstichstelle eingeölt, z.B. mit Öl eingesprüht, um die Anhaftung von in Schritt a) und Schritt b) eventuell gebildeten Spritzern zu verringern.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine umfassend einen Laserstrahlerzeuger, einen verfahrbaren Laserbearbei- tungskopf mit einer Prozessgasdüse, aus der der Laserstrahl zusammen mit dem Prozessgas austritt, eine Einrichtung zum Auswählen des Prozessgases und eine Steuerung, die programmiert ist, die Bewegung des Laserbearbeitungskopfes und das ausgewählte Prozessgas der Einrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Einstechverfahren zu steuern.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens geeignete Laserschneidmaschine;
die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens;
jeweils ein Foto der Werkstückoberseite mit einem Durchstichloch, das nach einem herkömmlichen Einstichverfahren (Fig. 3a) und nach dem erfindungsgemäßen Einstichverfahren (Fig. 3b) hergestellt wurde; und
jeweils ein Querschnittsfoto eines Durchstichlochs, das nach einem herkömmlichen Einstichverfahren (Fig. 4a) und nach dem erfindungsgemäßen Einstichverfahren (Fig. 4b) hergestellt wurde.
In Fig. 1 ist perspektivisch eine Bearbeitungsmaschine 1 dargestellt, welche den Aufbau einer Laserschneidmaschine als Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsmaschine zeigt. Weitere Ausführungsbeispiele sind zum Beispiel eine Laserschweißmaschine oder eine kombinierte Stanz-/Laserschneidmaschine. Diese Bearbeitungsmaschine 10 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen verfahrbaren Laserbearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laser 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laser 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein Werkstück 6 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Bearbeitungsmaschine 1 wird darüber hinaus mit Prozessgasen 7, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Es können alternativ oder zusätzlich auch Druckluft oder anwendungsspezifische Gase vorgesehen sein. Die Ver- wendung der einzelnen Gase ist von dem Material des zu bearbeitenden Werkstücks 6 und von Qualitätsanforderungen an die Schnittkanten abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 8 vorhanden, die mit einem Absaugkanal 9, der sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist. Das Prozessgas 7 wird einer Prozessgasdüse 10 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt, aus der es zu- sammen mit dem Laserstrahl 5 austritt.
Beim Schneiden des Werkstücks 6 unter Verwendung von Sauerstoff als Prozessgas wird das Material des Werkstücks 6 geschmolzen und größtenteils oxi- diert. Bei der Verwendung von Inertgasen, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, wird das Material lediglich geschmolzen. Die entstandenen Schmelzpartikel werden dann, gegebenenfalls zusammen mit den Eisenoxiden, ausgeblasen und zusammen mit dem Schneidgas über die Absaugkanal 9 durch die Absaugeinrichtung 8 abgesaugt. In Fign. 2a bis 2d sind die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens in ein Werkstück 6 aus Stahl gezeigt.
In dem in Fig. 2a gezeigten ersten Verfahrensschritt a) wird mittels des gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahls 5 und mit Stickstoff als Prozessgas 7 in das Werkstück 6 eingestochen und ein Einstichloch 11 geformt, das nicht durch die gesamte Werkstückdicke durchgeht. Vorteilhafterweise erstreckt sich das Einstichloch 11 nur bis in die obere Hälfte des Werkstücks 6 hinein. Durch die Verwendung von Stickstoff als Prozessgas 7 erfolgt kein unkontrollierter Abbrand des Werkstückmaterials. Außerdem wird der Energieeintrag in das Werkstück 6 gering gehalten, was sich beim späteren Schneiden der Kontur positiv auf die Bearbeitungsgenauigkeit auswirkt.
Das beim Einstechen aufschmelzende Werkstückmaterial lagert sich um das Einstichloch 11 herum ab und bildet auf der Werkstückoberseite 12 einen Aufwurf 13. In dem darauf folgenden, in Fig. 2b gezeigten zweiten Verfahrensschritt b) wird der obere Teil des Einstichlochs 11 dadurch verbreitert, dass mittels des nun auf einen größeren Strahldurchmesser auf dem Werkstück 6 als beim Schritt a) eingestellten Laserstrahls 5 und mit Sauerstoff als Prozessgas 7 mit gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung eine Mulde 14 in der Werkstückoberseite 12 konzentrisch zum Einstichloch 11 erzeugt wird.
Bei diesem zweiten Verfahrensschritt b) wird der Aufwurf 13 aus dem ersten Schritt a) zusammen mit weiterem Material aus der Werkstückoberfläche durch den Sauerstoff oxidiert und die dabei gebildete oxidische Schlacke durch den aus der Prozessgasdüse 10 austretenden Prozessgasstrom abgeblasen. Es bildet sich eine flache Mulde 14, von deren Bodenfläche aus sich das im ersten Schritt a) erzeugte Einstichloch 11 weiter in das Werkstückinnere hinein erstreckt. Die Mulde 14 erstreckt sich also nur einen Bruchteil so weit in das Werkstück 6 hinein wie das Einstichloch 11. Insgesamt bildet sich auf diese Weise ein trichterförmiger Teileinstich (Einstichtrichter) 15 mit scharf begrenztem Rand und sauberer Umgebung in der Werkstückoberseite 12. Die zweistufige Ausbildung des Einstichtrichters 15 hat den Vorteil, dass sich auf der Werkstückoberseite 12 um diesen Einstichtrichter 15 herum kein anhaftendes Werkstückmaterial mehr befindet und nur ein Minimum an Wärmeeintrag in das Werkstück 6 erfolgt. Außerdem erleichtert der Einstichtrichter 15 den Austrieb der Schmelze beim weiteren Durchstechen durch das Werkstück 6.
Vorzugsweise liegt der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 beim ersten Verfahrens- schritt a) oberhalb der Werkstückoberseite 12, so dass ein relativ breites Einstichloch 11 als späterer„Schaft" des Einstichtrichters 15 entsteht. Besonders bevorzugt ist der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 im zweiten Verfahrensschritt b) noch weiter oberhalb der Werkstückoberseite 12 angeordnet und zusätzlich der Durchmesser des Laserstrahls 5 im Fokus, d.h. der Fokusdurchmesser, größer als im ersten Verfahrensschritt a). Dadurch wird die Leistungsdichte des Laserstrahls 5 auf der Werkstückoberseite 12 verringert und der Bestrahldurchmesser auf dem Werkstück 6 vergrößert, so dass bei der Bestrahlung des Werkstücks 6 eine flache Mulde 14 mit großem Durchmesser in der Werkstückoberseite 12 gebildet wird. Bereits beim ersten Verfahrensschritt a) sollte ein verhältnismäßig großer Abstand d1 zwischen Prozessgasdüse 10 und Werkstückoberseite 12 von z.B. ca. 20 mm eingestellt werden, so dass eine Verschmutzung der Prozessgasdüse 10 durch geschmolzenes Metall vermieden wird. Im zweiten Verfahrensschritt b) wird dann der Abstand d2 zwischen Prozessgasdüse 10 und Werkstückoberseite 12 noch weiter vergrößert (d2>d1), z.B. auf ca. 80 mm, so dass die Bestrahlfläche auf der Werkstückoberseite 12 vergrößert ist. Das Durchstechen des Einstichlochs 11 bis zur Unterseite des Werkstücks 6 erfolgt in dem in Fig. 2c gezeigten dritten Verfahrensschritt c), bei dem der Laserstrahl 5 mittig über dem Einstichloch 11 positioniert und mit Sauerstoff als Prozessgas 7 und gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung vom Boden des Einstichtrichters 15 ausgehend durch das Werkstück 6 durchgestochen wird, wobei der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 wegen des zuvor geformten Einstichtrichters 15 tiefer als der Trichterboden im Werkstück 6 liegen kann. Dies hat entscheidende Vorteile für den effizienten Energieeintrag beim Durchstechen, da der Laserstrahl 5 ohne Abschattungen tief im Material fokussiert werden kann, was zu einem schnellen Prozessfortschritt führt.
Zusätzlich hat sich gezeigt, dass der in den Verfahrensschritten a) und b) erzeugte Einstichtrichter 15 besonders gut in der Lage ist, die beim weiteren Einstechen (Durchstechen) in Verfahrensschritt c) erzeugte Schlacke weit vom Einstichloch 11 weg zu fördern, wie durch die Pfeile 17 in Fig. 2c angedeutet ist. Dadurch kühlt die Schmelze ab, bevor sie wieder auf die Werkstückoberfläche trifft, und haftet nicht auf der Werkstückoberseite 12 an.
Vorzugsweise ist der Abstand d3 zwischen der Prozessgasdüse 10 und der Werkstückoberseite beim Durchstechen kleiner (z.B. ca. 5 mm) als der Abstand d1 , d2 bei den beiden Verfahrensschritten a) und b), so dass das Prozessgas gut in das Einstichloch 11 eingekoppelt werden kann (d3<d1 ,d2). Der Druck des Prozessgases kann dann niedriger eingestellt werden als bei den Verfahrensschritten a) und b). Das Durchstechen kann entweder ungeregelt mit kontinuierlich ansteigender Laserleistung oder mit Hilfe einer bekannten Einstichsensorik geregelt erfolgen. Das im ersten Verfahrensschritt a) erzeugte Einstichloch 11 am Boden der im zweiten Verfahrensschritt b) erzeugten Mulde 14 dient in diesem dritten Verfahrensschritt c) als Lichtkanal für den Laserstrahl 5. Auf diese Weise gelangt die Laserstrahlung besser in das Werkstück, und es wird eine bessere Tiefenwirkung der Laserstrahlung erreicht. Das Durchstichloch 16 hat daher einen deutlich geringeren Durchmesser als das ursprüngliche Einstichloch 11 , und es findet ein geringerer Wärmeeintrag in das Werkstück 12 statt als bei bisher üblichen Einstichverfahren. Fig. 3a zeigt ein Foto der Werkstückoberseite 12 mit einem Durchstichloch 16, das nach einem herkömmlichen Einstichverfahren hergestellt wurde, und Fig. 3b ein Foto der Werkstückoberseite 12 mit einem Durchstichloch 16, das nach dem erfindungsgemäßen Einstichverfahren hergestellt wurde. Während die in Fig. 3a gezeigte Werkstückoberseite 12 um das Durchstichloch 16 herum mit Schlacke- aufwurf 13 verschmutzt ist, ist auf der in Fig. 3b gezeigten Werkstückoberseite 12 deutlich weniger Schlacke ablagert, wodurch ein fehlerfreier Konturschnitt in der Umgebung des Durchstichlochs 16 ermöglicht wird.
Fig. 4a zeigt ein Querschnittsfoto eines Durchstichlochs 16, das nach einem her- kömmlichen Einstichverfahren hergestellt wurde, und Fig. 4b ein Querschnittsfoto eines Durchstichlochs 16, das nach dem erfindungsgemäßen Einstichverfahren hergestellt wurde. Während das in Fig. 4a gezeigte Durchstichloch 16 über die Werkstückdicke einen unregelmäßigen, breiten Lochdurchmesser aufweist, ist der Lochdurchmesser des in Fig. 4b gezeigten Durchstichloch 16 über die Werkstück- dicke regelmäßiger, schmaler und nur an der Werkstückoberseite aufgrund des Einstichtrichters 15 kontrolliert verbreitert.
Nach dem Durchstich durch das Werkstück 6 kann, wie in Fig. 2d gezeigt, in einem optionalen vierten Verfahrensschritt d) das Durchstichloch 16 vor Beginn des eigentlichen Schneidprozesses vergrößert werden. Dies ist notwendig, wenn der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 5 beim Schneiden des Werkstücks 6 größer ist als beim Einstechen. Dann wird beim Schneiden eine breite Schnittfuge erzeugt, wobei viel Schmelze gebildet wird. Ist das Durchstichloch 16 zu schmal, so kann die gebildete Schmelze zu Beginn des Schnitts nicht schnell genug durch das Durchstichloch 16 nach unten aus dem Werkstück 6 ausgetrieben werden, und es kann zu einem Schnittabriss kommen.
Zum Vergrößern des Durchstichlochs 16 wird die Einstichstelle im vierten Verfah- rensschritt d) mit dem auf einen größeren Fokusdurchmesser als beim dritten Verfahrensschritt c) eingestellten Laserstrahl 5 bestrahlt. Der Gasdruck des Prozessgases 7 ist so hoch eingestellt, dass die gebildete Schmelze sicher nach unten aus dem Werkstück 6 ausgetrieben wird. Der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 ist wie im dritten Verfahrensschritt c) unterhalb der Werkstückoberseite angeordnet. Der Abstand d4 zwischen Prozessgasdüse 10 und Werkstückoberseite 12 entspricht dem Abstand d3 im dritten Verfahrensschritt c), also d4=d3.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Laserbearbeitungsmaschine 1 ferner eine Einrichtung (z.B. ein Umschaltventil) 18 zum Auswählen des der Prozessgasdüse 10 zugeführten Prozessgases und eine Steuerung 19, die programmiert ist, die Verfahrbewegung des Laserbearbeitungskopfes 3 samt seiner Prozessgasdüse 10 sowie das ausgewählte Prozessgas 7 der Einrichtung 18 gemäß dem oben beschriebenen Einstechverfahren zu steuern.

Claims

DS11726 1716 Patentansprüche
1. Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück (6) mittels eines Laserstrahls (5) und eines Prozessgases (7), mit folgenden Schritten:
a) Ausbilden eines nicht durchgehenden Einstichlochs (11) im Werkstück (6) durch Einstechen des Laserstrahls (5) in das Werkstück (6) mit einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Prozessgas (7);
b) Verbreitern des oberen Teils des Einstichlochs (11 ) zu einer das Einstichloch (11) auf der Werkstückoberseite (12), insbesondere konzentrisch, umgebenden Mulde (14) mittels des auf dem Werkstück (6) auf einen größeren Strahldurchmesser als im Schritt a) eingestellten Laserstrahls (5) und mit Sauerstoff als Prozessgas (7); und
c) Durchstechen des Einstichlochs (11) mittels des Laserstrahls (5) und mit Sauerstoff als Prozessgas (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt des Laserstrahls (5) im Schritt a) oberhalb der Werkstückoberseite (12) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt des Laserstrahls (5) im Schritt b) weiter oberhalb der Werkstückoberseite (12) angeordnet ist als im Schritt a).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt im Schritt c) unter der Werkstückoberseite (12) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusdurchmesser des Laserstrahls (5) im Schritt b) größer ist als im Schritt a).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d2) einer Prozessgasdüse (10), aus der das Prozessgas (7) austritt, von der Werkstückoberseite (12) im Schritt b) größer ist als der Abstand (d1) im Schritt a).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d3) einer Prozessgasdüse (10), aus der das Prozessgas (7) austritt, von der Werkstückoberseite (12) im Schritt c) kleiner ist als der Abstand (d1 , d2) im Schritt a) und/oder b).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt c) der Druck des Prozessgases (7) kleiner ist als beim Schritt a) und Schritt b).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) direkt aufeinander folgen, der Laserstrahl (5) kontinuierlich angeschaltet bleibt und die Änderung des Strahldurchmessers auf der Werkstückoberseite (12) durch Verfahren des Bearbeitungskopfes (3) senkrecht zur Werkstückoberseite (12) erfolgt, wobei der Wechsel des Prozessgases (7) zwischen Schritt a) und b) beim Verfahren des Bearbeitungskopfes (3) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt d) der Durchmesser des Einstichlochs (11) durch Bestrahlen mit dem auf einen größeren Fokusdurchmesser als im Schritt c) eingestellten Laserstrahl (5) vergrößert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokusdurchmesser des Laserstrahls (5) mehrfach schrittweise vergrößert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) der Fokusdurchmesser des Laserstrahls (5) kontinuierlich bis zum Fokusdurchmesser beim anschließenden Schneidprozess vergrößert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt a) die Werkstückoberseite (12) an der Einstichstelle eingeölt wird.
14. Laserbearbeitungsmaschine (1) umfassend einen Laserstrahlerzeuger (2), einen verfahrbaren Laserbearbeitungskopf (3) mit einer Prozessgasdüse (10), aus der der Laserstrahl (5) zusammen mit dem Prozessgas (7) austritt, eine Einrichtung (18) zum Auswählen des Prozessgases (7) und eine Steuerung (19), die programmiert ist, die Bewegung des Laserbearbeitungskopfes (3) und das ausgewählte Prozessgas (7) der Einrichtung (18) gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
15. Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung (19) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) abläuft.
PCT/EP2014/001533 2013-06-11 2014-06-05 Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls Ceased WO2014198395A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL14733988T PL3007852T3 (pl) 2013-06-11 2014-06-05 Sposób nakłuwania w metalowych przedmiotach obrabianych przy użyciu wiązki laserowej
CN201480033514.5A CN105339129B (zh) 2013-06-11 2014-06-05 借助激光束刺入金属工件中的方法
EP14733988.1A EP3007852B1 (de) 2013-06-11 2014-06-05 Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls
US14/966,384 US9956648B2 (en) 2013-06-11 2015-12-11 Piercing metal workpieces by a laser beam

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013210857.5A DE102013210857B3 (de) 2013-06-11 2013-06-11 Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke mittels eines Laserstrahls
DE102013210857.5 2013-06-11

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/966,384 Continuation US9956648B2 (en) 2013-06-11 2015-12-11 Piercing metal workpieces by a laser beam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014198395A1 true WO2014198395A1 (de) 2014-12-18

Family

ID=51033107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/001533 Ceased WO2014198395A1 (de) 2013-06-11 2014-06-05 Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9956648B2 (de)
EP (1) EP3007852B1 (de)
CN (1) CN105339129B (de)
DE (1) DE102013210857B3 (de)
PL (1) PL3007852T3 (de)
WO (1) WO2014198395A1 (de)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10086476B2 (en) * 2013-11-28 2018-10-02 Amada Holdings Co., Ltd. Laser processing method and laser processing machine
DE102014217154B4 (de) 2014-08-28 2016-09-22 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke mittels eines Laserstrahls sowie zugehörige Laserbearbeitungsmaschine und Computerprogrammprodukt
DE112014006885B4 (de) * 2014-10-17 2018-03-29 Mitsubishi Electric Corporation Laserbearbeitungsverfahren und Laserbearbeitungsvorrichtung
CN105834598B (zh) * 2016-06-14 2017-06-20 武汉天琪激光设备制造有限公司 一种激光穿孔钢板的方法
DE102016213540A1 (de) * 2016-07-25 2018-01-25 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Erzeugen von schrägen Vorsprüngen oder Aussparungen an einer Schnittflanke eines plattenförmigen Werkstücks und zugehöriges Computerprogrammprodukt
DE102016215019C5 (de) * 2016-08-11 2023-04-06 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Laserschneiden mit optimierter Gasdynamik
DE102016220807B3 (de) * 2016-10-24 2018-03-29 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
CN110355468A (zh) * 2018-04-10 2019-10-22 上海柏楚电子科技股份有限公司 一种用于激光切割的穿孔工艺及其侧吹装置
DE102018125620A1 (de) * 2018-10-16 2020-04-16 Schuler Pressen Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden einer Blechplatine aus einem kontinuierlich geförderten Blechband
DE102018129416A1 (de) * 2018-11-22 2020-05-28 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Laserbearbeitung und Laserbearbeitungssystem zur Durchführung des Verfahrens
JP6758441B2 (ja) * 2019-02-18 2020-09-23 株式会社アマダ レーザ加工機、レーザ加工方法、及び加工プログラム作成装置
CN111618430A (zh) * 2019-02-28 2020-09-04 通快机床两合公司 激光穿刺方法及相应控制器、激光加工机和可读程序载体
JP7028820B6 (ja) * 2019-03-18 2023-12-19 ファナック株式会社 ワークを切断するレーザ加工方法
CN113874157A (zh) * 2019-05-08 2021-12-31 Ws光学技术有限责任公司 用于工件的射束加工的方法
DE102019114477A1 (de) * 2019-05-29 2020-12-03 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Automatische Materialerkennung mit Laser
DE102020106734A1 (de) * 2020-03-12 2021-09-16 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Einstechen in ein Werkstück mittels eines Laserstrahls
DE102021116899A1 (de) * 2021-06-30 2023-01-05 Messer Cutting Systems Gmbh Verfahren zur thermischen Bearbeitung eines Werkstücks mit einer thermischen Bearbeitungsmaschine
EP4144474B1 (de) * 2021-09-03 2024-08-28 Bystronic Laser AG Verfahren, vorrichtung und system zur dynamischen anpassung des fokusdurchmessers einer laserschneidanlage
DE102021005297A1 (de) * 2021-10-25 2023-04-27 TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Verfahren zur Erzeugung angesenkter Löcher
DE102022124202A1 (de) * 2022-09-21 2024-03-21 TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Stanz-Laser-Kombinationsverfahren und Stanz-Laser-Kombinationsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks sowie Computerprogramm und computerlesbares Speichermedium

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0557469A (ja) 1991-08-27 1993-03-09 Nippei Toyama Corp レーザ加工方法
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
WO2011131541A1 (de) 2010-04-22 2011-10-27 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Strahlformungseinheit zur fokussierung eines laserstrahls und verfahren zu ihrer ansteuerung
US20130026144A1 (en) * 2011-07-29 2013-01-31 Fanuc Corporation Method and system of laser processing for piercing

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60255295A (ja) * 1984-05-30 1985-12-16 Mitsubishi Electric Corp 自動レ−ザ加工機
JPS6444296A (en) * 1987-08-12 1989-02-16 Fanuc Ltd Assist gas control system
DE3934587C2 (de) * 1989-10-17 1998-11-19 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Herstellen von mittels Laserstrahlung erzeugter, hochpräziser Durchgangsbohrungen in Werkstücken
JP3175781B2 (ja) * 1991-10-17 2001-06-11 株式会社小松製作所 レーザ加工機のピアッシング方法
JP3649453B2 (ja) 1993-09-28 2005-05-18 三菱電機株式会社 空気調和機の制御装置
JPH0947888A (ja) * 1995-08-04 1997-02-18 Koike Sanso Kogyo Co Ltd レーザピアシング方法およびその装置
US5747769A (en) * 1995-11-13 1998-05-05 General Electric Company Method of laser forming a slot
DE10138866B4 (de) * 2001-08-08 2007-05-16 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Bohren eines Lochs in ein Werkstück mittels Laserstrahls
US20050121613A1 (en) * 2003-03-17 2005-06-09 Kenji Ito Laser beam machining method
US7057133B2 (en) * 2004-04-14 2006-06-06 Electro Scientific Industries, Inc. Methods of drilling through-holes in homogenous and non-homogenous substrates
JP4635839B2 (ja) * 2005-11-15 2011-02-23 トヨタ自動車株式会社 孔あけ加工方法および孔あけ加工装置
US7820267B2 (en) * 2007-08-20 2010-10-26 Honeywell International Inc. Percussion drilled shaped through hole and method of forming
DE102007051408A1 (de) * 2007-10-25 2009-05-28 Prelatec Gmbh Verfahren zum Bohren von Löchern definierter Geometrien mittels Laserstrahlung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0557469A (ja) 1991-08-27 1993-03-09 Nippei Toyama Corp レーザ加工方法
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
WO2011131541A1 (de) 2010-04-22 2011-10-27 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Strahlformungseinheit zur fokussierung eines laserstrahls und verfahren zu ihrer ansteuerung
US20130026144A1 (en) * 2011-07-29 2013-01-31 Fanuc Corporation Method and system of laser processing for piercing
DE102012014323A1 (de) 2011-07-29 2013-01-31 Fanuc Corporation Verfahren und System einer Laserverarbeitung zum Lochen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013210857B3 (de) 2014-08-21
PL3007852T3 (pl) 2018-01-31
CN105339129B (zh) 2017-06-06
CN105339129A (zh) 2016-02-17
US20160096239A1 (en) 2016-04-07
EP3007852A1 (de) 2016-04-20
US9956648B2 (en) 2018-05-01
EP3007852B1 (de) 2017-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3007852B1 (de) Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls
DE112014006885B4 (de) Laserbearbeitungsverfahren und Laserbearbeitungsvorrichtung
EP3007853B1 (de) Verfahren zum entfernen eines auf einer werkstückoberfläche abgelagerten aufwurfs beim bilden eines durchgangslochs mittels eines laserstrahls
EP4200101B1 (de) Verfahren zur herstellung mindestens eines werkstückteils und eines restwerkstücks aus einem werkstück
EP3965990B1 (de) Verfahren und strahlbearbeitungsvorrichtung zur strahlbearbeitung eines werkstücks
EP4035823B1 (de) Prozess zur strahlbearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
DE102016220807B3 (de) Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
EP3083127A1 (de) Maschine zum trennenden bearbeiten von plattenförmigen werkstücken
DE10218469A1 (de) Laser-Durchbohrungsverfahren
WO2021018431A1 (de) Prozess zur strahlbearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
EP3186031B1 (de) Verfahren zum einstechen in metallische werkstücke mittels eines laserstrahls sowie zugehörige laserbearbeitungsmaschine und computerprogrammprodukt
EP4238687A1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
DE102013210845B4 (de) Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke mittels eines Laserstrahls
WO2016020411A1 (de) Prozess und schneidvorrichtung zur trennenden bearbeitung eines werkstücks
EP4238690B1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
EP3774164B1 (de) Laserschneidverfahren mit einer erhöhung des schneiddüsenabstands am schnittende sowie laserschneidmaschine und computerprogrammprodukt
WO2023072567A1 (de) Verfahren zur laserstrahlbearbeitung eines werkstücks mit konstanter streckenenergie des laserstrahls
EP4422821A1 (de) Verfahren zur erzeugung angesenkter löcher mittels laserstrahlbearbeitung
DE102021005295A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Werkstückteilen mit angefasten Schnittkanten
DE102024112208A1 (de) Verfahren und Laserschneidevorrichtung zum Erzeugen einer Fase an einem Schnittspalt in einem Werkstück mittels eines Laserschneidkopfes
WO2024068253A1 (de) Verfahren zum laserschneiden plattenförmiger werkstücke und zugehöriges computerprogrammprodukt

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480033514.5

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14733988

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2014733988

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014733988

Country of ref document: EP